基于北斗二代系统的船用导航仪硬件设计及关键算法研究

liyf · 发表于 2014-10-1 06:13:21

第12 卷第9 期2012 年3 月
1671—1815( 2012) 09-2237-04
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 12 No. 9 Mar． 2012
 2012 Sci. Tech. Engrg.
基于北斗二代系统的船用导航仪硬件
设计及关键算法研究
应士君邹绪平* 刘卫王坤
( 上海海事大学，上海201306)
摘要随着北斗新一代全球卫星导航系统的实施，船舶导航关键设备将实现从GPS 到北斗的更新与应用。首先介绍了基
于北斗二代卫星导航系统的ARM 嵌入式船用导航仪的设计原理及硬件平台，该导航仪采用ARM9 系列的S3C2410A 处理器
作为导航仪的基础硬件平台，采用专用的北斗基带芯片接收北斗卫星信号并进行处理，加上必要的外围电路; 在此基础上对
适合船用的北斗基带芯片核心算法进行了研究，即北斗卫星信号的捕获、跟踪算法研究，并给出导航定位实验结果。
关键词ARM 处理器北斗嵌入式硬件捕获跟踪算法
中图法分类号U666. 134; 文献标志码A
2011 年12 月26 日收到国家科技支撑计划( 2009BAG18B04)
和国家自然科学基金青年基金( 61105097) 资助
第一作者简介: 应士君( 1966—) ，男，江苏宜兴人，副教授，博士，研
究方向: 船舶导航与安全。E-mail: sjying@ shmtu. edu. cn。
* 通信作者简介: 邹绪平( 1988—) ，男，重庆开县人，硕士研究生，研
究方向: 载运工具关键技术。E-mail: ahauzxp@ sina. com。
目前，随着我国第十颗北斗卫星的成功发射，
北斗区域卫星导航系统已完成基本系统建设。北
斗卫星导航系统基本上能满足测绘、渔业、交通运
输、气象、电信、水利等行业，以及大众用户的应用
需求。那么对于北斗二代系统导航仪的研究势在
必行，而现有的导航仪基本上都是基于FPGA、DSP
或者是两者相结合为硬件平台的GPS 导航仪，也有
比较先进GPS 采用ARM 作为处理器［1］。ARM 处
理器保留32 位系统的所有优势: 体积小、低功耗、低
成本、高性能、16 位/32 位双指令集和合作伙伴众多
等特点使其应用领域广泛。最关键是ARM 处理器
强大的事物管理功能、在跑图形界面和应用程序控
制优势更明显［2］。那么将ARM 嵌入式运用到北斗
船用导航仪上能够实现携带方便、连续工作时间
长、快速定位、完全自主导航，而且易于功能扩展，
使整个系统的实时性和安全性得到了提高。现设
计的导航仪采用ARM9 系列的S3C2410A 处理器作
为基础硬件平台［3］，采用专用的北斗基带芯片接收
北斗卫星信号并进行处理，加上外围电路，在此基
础上对北斗二代卫星信号的捕获、跟踪算法进行了
研究，并给出了导航定位实验结果。
1 北斗二代船用导航仪的硬件设计
北斗导航接收机主要由射频前端、A/D 转换
器、基带信号处理和导航解算部分组成。射频前端
接收卫星的射频信号，经前置放大器放大后，将信
号下变频为中频信号; A/D 转换器采样中频信号，
把模拟信号量化编码为数字信号; 基带数字信号处
理部分主要功能为: 卫星信号的二维捕获、载波相
位和码相位的跟踪，并且测算出伪距; 最后导航解
算部分采用一定的算法消除模型误差，求解伪距方
程，解析出卫星接收机天线的地理位置，从而实现
卫星定位［4］。整体设计框图如图1 所示。
ARM 处理器主要是负责对北斗基带芯片数据
的响应、处理和控制，在硬件上这部分就是一个嵌
入式开发核心板，还包括触摸LCD 接口电路、调试
接口电路、FLASH、SDRAM 等。采用的是S3C2440A
－ 40 400 MHz 主频，ARM 920T 内核，ARM 标准20
芯JTAG 接口，标准RS232 串口通信［5，6
］。北斗基带
芯片采用的是HwaNavchip—1 芯片［7］，可快速捕获
北斗系统B1 和B3 频点的精密测距码和北斗/GPS
图1 北斗二代系统导航仪设计框图
卫星的普通测距码，具有较快的捕获速度、极高的
动态跟踪范围和测量精度，通过串口输出标准的二
进制或NMEA—0183 格式的信号，直接与RS232 口
相连接，ARM 处理器接收到的信号经程序处理后，
数据被传送到解析程序进行验证处理，计算出位置
信息，并在液晶显示器上进行显示。
整个系统采用的是“核心板+ 底板”的设计方
案，核心板采用ARM 开发板最小系统设计，由
S3C2410ARM 处理器作CPU、内存SDRAM、闪存
FLASH( NOR FLASH 和NAND FLASH) 、晶振电路、
复位电路和启动配置电路组成［8，9
］。设计是在利用
现有核心板的基础上，设计用户应用底板，实现对
北斗导航信息的控制和处理。系统原理框图如图2
所示。
图2 系统原理框图
图2 右边部分为整个系统的核心板部分，是通
过SO—DIMM200 接口与应用底板连接，接口中的
绝大部分引脚都是S3C2410A 的功能; 图2 左边部
分是用户应用功能设计，核心是北斗基带芯片部
分，这样设计实际上是一种模块设计思想，用同一
块核心板可以进行多种应用板的开发，开发成本较
少，有助于扩展各种功能的应用底板。
2 北斗导航仪捕获、跟踪算法
针对北斗系统B1 信号( 频率为1 561. 098
MHz) 进行导航定位处理，导航仪的核心部分是对卫
星的捕获和跟踪，算法的优劣直接影响到导航仪的
性能。系统采用并行码相位搜索捕获方法［10］，该方
法将搜索空间削减为41 个不同的载波频率，本地产
生伪码的傅里叶变换在每次捕获过程中仅执行一
次，而对于41 个频点中的每一个，均需要执行一次
傅里叶变换和逆变换，由于该方法对于每一个采样
得到的码相位均给出了一个相关值，对于伪码相位
参数值的估计更加精确，实现起来非常简单，算法
框图如图3 所示。
图3 并行码相位搜索算法框图
接收信号与本地产生的载波信号相乘得到I 支
路信号，与90 ゜移后的本地载波相乘后得到Q 支
路信号，经过DFT 变换后于经过DFT 变换的PRN
码相乘，输出结果经过逆变换为时域信号取模输
出，模值表示输入信号与本地伪码信号的相关结
果，若结果中出现峰值，其位置即表示接受信号的
码相位。捕获的目的就是在几毫秒数据中确定所
有可见卫星的信号参数，根据图3 设计捕获实际流
程图如图4 所示。
捕获仅能提供对频率和码相位参数的粗略估
计，在导航过程中需要对这些值进行精确化，并保
持跟踪，然后从跟踪到的卫星信号中解调出导航数
2238 科学技术与工程 12 卷
图4 并行码相位捕获算法流程图
据。跟踪过程完整框图如图5 所示。
图5 北斗接收机的完整跟踪框图
设计中采用的是六个相关器结构的延时锁相
环( DLL) 进行连续码跟踪，将载波跟踪环和码相位
跟踪环整合得到的完整的信号跟踪环［10］。具体算
法流程图如图6 所示。
3 硬件平台搭建及导航定位结果
在提出设计方案的基础上，通过实验来初步论
证设计方案的可行性，本设计的系统硬件平台搭建
结果实物图如图7 所示; 初步的导航定位结果显示
如图8 所示。
图6 北斗信号跟踪流程图
图7 硬件平台搭建实物图
图8 导航定位结果
4 结论
本文主要针对我国船用导航仪设计、应用完全
自主方面考虑，采用处理能力强大的ARM 处理器
以及嵌入式Linux 作为系统的操作系统，以计算机
技术为基础、软硬件可剪裁设计。从实验结果可以
看出，核心板加底板的设计方法能实现我国北斗船
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用导航仪功能，本系统使用S3C2410A 进行嵌入式
系统硬件平台的搭建，为系统进一步开发做好了准
备。这种设计方案也方便二次开发，只要更改底板
设计即可实现不同领域的设计需求，降低了开发难
度和成本，也缩短了开发周期。
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Research on Hardware Design and Key Algorithm of Marine
Navigator Based on COMPASS System
YING Shi-jun，ZOU Xu-ping* ，LIU Wei，WANG Kun
( Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，P. R. China)
［Abstract］ With the new generation of global satellite navigation system implementation，ship navigation equipment
will realize from the GPS to the Compass update and application. The second generation Compass satellite
navigation system is introduced that based on the ARM embedded marine navigation systems design principles and
the hardware platform，The navigator uses the ARM9 series S3C2410A processor as the basis for navigation hardware
platform，using a dedicated baseband chip of Compass satellite signals received and processed，With the necessary
peripheral circuits; based on this，the Compass baseband chip core algorithm suitable for marine has been
studied，The Compass satellite signal acquisition and tracking algorithm，And gives the experimental results of navigation
and positioning.
［Key words］ ARM processor compass embedded hardware acquisition and tracking algorithm
2240 科学技术与工程 12 卷

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